Ydinvoimalaitoskaapeleita käytetään pääasiassa ydinreaktorirakennuksissa, ydinalan apurakennuksissa ja höyryturbiinirakennuksissa. Yleensä putkijohtoja tai kaapelikanavien avulla voidaan asettaa kaapelit, joiden käyttöiän, lämpövakauden, kosteudenkestävyyden, kemiallisen stabiiliuksen ja säteilykestävyyden on oltava luotettavia.
Järjestelmän suunnittelun korkean luotettavuuden varmistamiseksi ja laitevahinkojen aiheuttamien vakavien taloudellisten seurausten välttämiseksi käytetään yleensä toistuvia monikanavaisia riippumattomia linjajärjestelmiä ja -laitteita. Yleensä virtakaapeleille käytetään kahta sarjaa itsenäisiä linjajärjestelmiä ja ohjauskaapeleille kolmea sarjaa itsenäisiä linjajärjestelmiä.
Ydinvoimaloiden yleisiä kaapeleita ovat: 6/10kV ja 0,6/1kV virtajohdot, 0,6/1kV ohjauskaapelit, 300/500V mittarijohdot ja 300/500V kompensaatiokaapelit.
Seuraava taulukko on kotimaisen yrityksen määritystaulukko:
Taulukko 11E Ydinvoimalaitoksen kaapelimallin nimi
Mallin nimi
1E-luokan K3-virtajohto YJYK3 kupariytimeen ristiinlinkitetylle polyeteenieristetylle halogeenittomaan vähäsavupolyolefiiniholkkiin
YJY23K3 kuparijohdin ristikytketty polyeteenieristeinen terästeippi panssaroitu halogeeniton matalasavuinen polyolefiinivaippaluokan 1E K3 virtakaapelit
Kupariydin ristiinlinkitetty polyeteenieristeinen halogeeniton vähäsavuinen palonestoaine termosoituva ydinlaitos 1E luokan K1 virtajohdot
YJYJ23K1 Kupariydin ristiinkytketty polyeteenieristeinen terästeippipanssaroitu halogeeniton vähäsavuinen palonestoaine termosoitu ydinvoimalaitosluokka 1E K1 virtakaapelit
KYJYK3 kupariydin ristiinlinkitetty polyeteenieristeinen halogeeniton vähäsavuinen polyolefiinivaipattu ydinvoimalaitos 1E luokan K3 ohjaussignaalikaapelit
KYJY23K3 kuparijohdin ristikytketty polyeteenieristeinen terästeippi panssaroitu halogeeniton matalasavuinen polyolefiinivaippainen ydinvoimalaitosluokka 1E K3 ohjaussignaalikaapelit
Kupariydin, ristiinlinkitetty polyeteenieristeinen, halogeeniton, vähäsavuinen, palonestoaine, termosoituva ydinlaitos, luokan 1E K1 ohjaussignaalikaapelit
Kupariydin ristiinlinkitetty polyeteenieristeinen terästeippipanssaroitu halogeeniton, vähäsavuinen, palonestoainetermostoitu ydinlaitosluokan 1E K1 ohjaussignaalikaapeli
Ydinvoimaloissa käytettävät luokan 1E kaapelit on jaettu kolmeen luokkaan ydinvoimalaitosten sähköjärjestelmien turvallisuusluokkien mukaan: K1, K2 ja K3.
Turvallisuusluokat K1, K2 ja K3 määritellään seuraavasti:
Luokan K1 sähkökäyttöinen toimilaite.
Asennettu ydinreaktorin eristykseen ja kykenevät suorittamaan määrätyt toiminnot normaaleissa ympäristöolosuhteissa ja SL2-kuormilla (turvallinen sammutusjäristys) sekä onnettomuuden aikana tai sen jälkeen.
K2-luokan sähkökäyttöinen toimilaite.
Asennettu ydinreaktorin eristykseen ja kykenevät suorittamaan määrätyt toiminnot normaaleissa ympäristöolosuhteissa ja SL2(safe shutdown earthquake) -kuormilla.
Luokan K3 sähkökäyttöiset toimilaiteet.
Se on asennettu ydinreaktorin eristämisen ulkopuolelle, ja se suorittaa sille määrätyt toiminnot normaaleissa ympäristöolosuhteissa ja SL2(safe shutdown earthquake) -kuormilla.
Kolmen kaapelilajin toimintaympäristö on hyvin erilainen, ja K1-luokassa on ankarin toimintaympäristö ja kaapeleiden tiukimmat suorituskykyvaatimukset. Kaapelit voidaan ottaa käyttöön vain simuloimalla jäähdytysainehäviön onnettomuustestiä (LOCA).
Kaapelin todellisen toimintaympäristön mukaan sekä ContainmentVesselin sisä- että ulkopuolella testataan ankarasti, kun LOCA tapahtuu ydinvoimalassa.
Joidenkin mielestä ydinreaktorirakennukseen asennettu kaapeli olisi simuloitava LOCA-testiä;
Toiseksi voidaan osoittaa, että kaapelin valmistaja pystyy tuottamaan ydinluokan kaapeleita vain pystymällä tuottamaan luokan 1E K1 kaapeleita. Kaapeleiden rakennesuunnittelu- ja suorituskykyindikaattorit on parasta määrittää reaktorirakennuksen ja ydinastointirakennuksen kahden käyttöympäristön erityisolosuhteiden mukaisesti.
1. Testin sisältö
1) Kaapelin perustehon tyyppitesti;
(2) Kaapeleiden on läpäistävä EEE383 kohdassa määritelty nippukaapeleiden pystysuuntainen palamistesti.
3) Savupitoisuustesti;
(4) Valmiin kaapelivaivan kaasun vapautumistesti palamisen aikana;
(5) Sähköjohtojen ikääntymistesti;
(6) Eristys- ja haikamateriaalien pitkän aikavälin lämmönkestävyyden arviointitesti;
(7) Lämpösiikin simulointitesti, joka vastaa 50 toimintavuotta;
8) Vastaava säteilyn ikääntymisen simulointitesti, joka on ollut käynnissä 50 vuotta;
(9) Simuloitu seisminen testi;
(10) Vastaava 50 vuoden LOCA-säteilyaltistustesti, LOCA-simulointitesti (korkea lämpötila, korkeapaineinen vesihöyry);
(11) Suorituskyvyn tarkastustesti.
Niistä (1)~(3) ovat tyyppitestit, (7)~(10) ympäristösimulaatiotestit ja (8) ja (10) suoritetaan molemmat seitsemännen testin jälkeen.
Suorituskyvyn tarkastustesteihin kuuluvat jännitetesti, palamistesti, eristyksen ja taivan vetolujuuden mittaus, venymä tauolla jne.
Toimintaympäristön erityisolosuhteet määritetään.
2. Testimenetelmä
A. Sähköinen ikääntymistesti virtakaapeleille 5000h:ssa
Virtajohtojen on läpäistävä 5000h:n sähköinen ikääntymistesti, joka on suoritettava lEC60502 kohdan mukaisesti.
Testiolosuhteet ovat seuraavat:
1) Kaapelinäytteen pituus: vähintään 30 m;
(2) Käytetty jännite: Vaiheiden välinen jännite (on kaapelijohtimien välinen nimellistehotaajuusjännite);
(3) Käytä virta: Virran tulisi kulkea kaapelin läpi, jotta johtimen lämpötila nousee 95~100 °C:seen;
(4) Syklin kesto: lämmitys 8 tunnin ajan ja jäähdytys 16 tunnin ajan;
(5) Testin keston on oltava vähintään 5000 h (eli 209 lämpötilasykliä).
Testitulokset: Kaapelia ei saa rikkoa testin aikana.
Testijännite ja testiaika määritetään kaapelieristyksen käyttöiän indeksin (N) perusteella tietyllä turvamarginaalilla. Sähköinen ikääntymisajan yhtälö on: Unt=C[(1), U on kaapeliin kohdistunut jännite; n on elinkaaresi; T on sähkökatkosaika; C on vakio (liittyy rakenteeseen jne.)].
Jos ristiinlinkitettävän polyeteenin käyttöiän indeksi on N ≥9, ydinvoimalaitoksen kaapelin käyttöiän on oltava 50 vuotta. Yhtälöä (1) voidaan käyttää jännitteen ja aikasuhteen laskemiseen.
Jos esimerkiksi käyttöjännite U=10kV, vaadittu työaika t=348000h(50 vuotta);
Kun testijännite on 20kV, testiajan on oltava 5000h.
Korvaamalla edellä mainitut parametrit kaavaksi (1) voidaan saada, että:
Liuos voidaan saada n=6.45, alle 9, mikä osoittaa, että testimenetelmässä on varmuusmarginaali.
B. Eristys- ja kojakeiden pitkäaikaisen lämmönkestävyyden arviointitesti
IEC60216-standardin ja IEEE383-74-standardin mukaan suositeltava matemaattinen malli ei-metallisten materiaalien ikääntymisen nopeuttamiseksi on Arrheniuksen empiirinen kaava :In =ab/T (2), viittaa tuotteen työelämään lämpötilassa T (h);
T on käyttölämpötila (K);
A ja B ovat määrittelemättömän kertoimia.
Kaavaa (2) on sovellettu vuosikymmeniä, ja sen on monissa tapauksissa todettu olevan tehokas.
Määrittelemättä jääneet kertoimet A ja B voidaan laskea määritetyn käyttölämpötilan perusteella ja käyttää sitten kaavaa (2) eliniän laskemiseen. Jos -arvo on odotettua suurempi, suunnittelun käyttöiän vaatimukset täyttyvät.
(1) Testilämpötilan ja -ajan määrittäminen.
Tavanomainen ikääntymistesti on 135°C ja 168h, joten 135°C voidaan määrittää testin vähimmäislämpötilaksi.
Testausprotokollat viittaavat IEC60216":een lämpöiän ikääntymisen testausmenettelyjen määrittämiseksi ja!
Yleinen menettely testitulosten arvioimiseksi "ja IEEE383-standardi.
Käyttöiän arviointitestin lämpötilaero kustakin tasosta on 15 °C, testilämpötilapisteitä on neljä, testin enimmäislämpötila on 180 °C.
Koe kesti noin 5000h.
(2) Elämän päättymisparametrien valinta.
Eristysmateriaalien lämpö ikääntymisprosessissa on kaksi ominaista parametria, nimittäin vetolujuus ja venymä tauolla. Tässä testissä venymän vähenemisnopeus tauolla on nopeampi kuin vetolujuuden, joten venymä tauolla otetaan elämän arviointiparametriksi.
Kaapelin asettamisen taivutussäteen laskennan mukaan eristyksen todellinen venymä saa olla enintään 10 %.
Alkuperäinen venymä mitatun näytteen tauolla oli 160%. Olettaen, että venymän retentioaika tauolla oli 50% käyttöiän päätepisteenä, venymä tauolla oli edelleen 80%, mikä tarjosi riittävän turvallisuuskertoimen käytössä olleille kaapelille.
(3) Tietojenkäsittely ja eliniän laskeminen.
IEC60216-1:n ja siihen liittyvien matemaattisten periaatteiden mukaan Arrhenius-käyrä piirrettiin ensin piirustusmenetelmällä oletuksen käyttöiän päättymispisteen mukaisesti.
Samalla lasketaan määrittelemättömän kertoimen A ja B lämpötilan ja testimateriaalin käyttöiän välisen suhteen määrittämiseksi. Kun laskettu käyttöiän arvo on vähintään 50 vuotta 90 °C:ssa, materiaalin käyttöiän arvioidaan olevan 50 vuotta.
C. Lämpöiäntymissimulaatiotesti, joka vastaa 50 toimintavuotta
IEEE383-74-standardin mukaan valmiiden kaapelinäytteiden lämpöiäntymissimulaatiotesti suoritettiin asettamalla kaapeli ilmankiertouuniin tiettyyn lämpötilaan ja aikaan Arrhenius-teknologian kehittämillä datalla.
Eristeiden ja vaaimateriaalien lämpöominaisuuksien on perustuttava lämpöiän arviointituloksiin.
Arrhenius-käyrää ja vakiintuneiden materiaalien lämpötilan ja käyttöiän välistä suhdetta, jonka käyttöiän on 50 vuotta, käytettiin perustana määritettäessä valmiiden tuotteiden kaapelin vanhenemisen simulointitestitietoja.
Arrhenius-käyrä ja lämpötilan ja elämän välinen suhde on osoitettu, joiden oletetaan olevan piste ennen käyttöiän loppua, kun materiaalin venymä taukopidätysvauhdilla on 50%. 50 vuotta vastaavien valmiiden kaapelinäytteiden lämpöiäntymissimulaatiotesti on suoritettava 90 °C:ssa.
Arrhenius-käyrässä uusi käyrä sekä lämpötilan ja ajan välinen suhde vahvistetaan yhtälön (2) ja tunnetun kaltevuuden mukaisesti simulaatiotestin lämpötilan ja ajan valitsemiseksi.
D. Vastaava säteilyn ikääntymisen simulointitesti käynnissä 50 vuotta
Säteilytestejä varten valmiille kaapelinäytteistä on tehtävä 50 toimintavuotta vastaavat lämpösiihittämissimulaatiotestit.
Radioaktiiviseksi lähteeksi otetaan 50 vuoden ajan tehtävä ekvivalenttinen säteilyn ikääntymisen simulointitesti, jonka radioaktiiviseksi lähteeksi otetaan C60, ja säteilynopeus on enintään 1×104Gy/h ja säteilyannos 2,5×105Gy, joka täyttää kaapelin säteilynkestävyysvaatimukset ydinlaitoksen ja reaktorilaitoksen tavanomaisissa säteilyannosolosuhteissa.
E. Simuloidut seismiset testit
Kaapelinäyte kierretaan testisylinterin ympärille halkaisijaltaan 20D(D on kaapelin ulkohalkaisija) vähintään yhden käännöksen ajan, ja sitten prosessi toistetaan vastakkaiseen suuntaan yhden jakson ajan, yhteensä kaksi jaksoa.
Käämitysjakson jälkeen sylinterin näytehaava laitettiin uuniin, joka kuumennettiin kaapelin nimelliskäyttölämpötilaan 24 tunnin ajan. Jäähdytyksen jälkeen tehtiin määritelty suorituskyvyn tarkastustesti.
F. vastaava
Säteilyaltistustestit LOCA:n 50 toimintavuoden aikana, simuloidut LOCA-testit (altistuminen korkeassa lämpötilassa ja korkeapaineinen vesihöyry)
LOCA(Lossofcoolantaccident) tunnetaan myös vesihävikkionnettomuudena kevytvesireaktoreissa.
Jäähdytysveden häviämisonnettomuuksia tapahtuu joskus kiehuvan veden reaktorissa (BWR) tai painevesireaktorijärjestelmissä (PWR) putkivuodon tai muun syyn vuoksi.
Tässä tapauksessa kaapeleille sekä suoja-astian sisä- että ulkopuolella kohdistuu vaihtelevaa lämpöä ja painetta, kemiallisia suihkeita ja historiallisen suuria gammasäteilyannoksia.
Ydinvoimaloissa voidaan käyttää turvallisesti vain tämän simuloidun LOCA-tilan kautta testattuja kaapeleita.
Siksi reaktorirakennuksen CABling sekä suojarakennuksen sisä- että ulkopuolella olisi testattava LOCA:ssa.
G. Suorituskyvyn tarkastustesti
Suorituskyvyn tarkastustesteihin kuuluvat puristustestit, palamistestit, eristysresistanssin testit, eristyksen ja vaa'at vetolujuus sekä venymätestit tauolla. Eristysresistanssin, vetolujuuden ja venymän testit tauolla ovat vain referenssitestejä varten.
Kestävjännitetesti: taivuta näytettä taivutushalkaisijalla 40 kertaa näytteen kaapelin halkaisijaan verrattuna ja levitä sitten jännitettä kaltevuudella 3,15kV/min 5 minuutin ajan. Kaapeli ei saa hajota.